Ein Team von Physikern der Universität zu Köln hat ein seit langem bestehendes Rätsel in der Physik der kondensierten Materie gelöst: Sie haben den sichtbaren Kondo-Effekt (die Reclusterung von Elektronen in Metallen durch magnetische Verunreinigungen) in einem künstlichen Atom direkt beobachtet. Dies war in der Vergangenheit erfolglos, da die meisten Messtechniken die magnetischen Bahnen von Atomen oft nicht direkt beobachten.
Ein internationales Forschungsteam unter der Leitung von Dr. Wouter Jolie vom Institut für Experimentalphysik der Universität zu Köln nutzte jedoch eine neue Technik, um den Kondo-Effekt auf einer künstlichen Spur innerhalb eines eindimensionalen Drahtes zu beobachten, der über einer Graphen-Metallplatte schwebt. Sie berichteten über ihre Ergebnisse in einem kürzlich in Nature Physics veröffentlichten Artikel.
Wenn Elektronen, die sich in Metall bewegen, auf magnetische Atome treffen, werden sie vom Atomspin beeinflusst – der Atomspin ist der magnetische Pol des Elementarteilchens. Um den Einfluss des Atomspins abzuschirmen, sammelt sich das Elektronenmeer in der Nähe der Atome und bildet einen neuen Vielteilchenzustand, der Kondo-Resonanz genannt wird. Wird häufig verwendet, um die Wechselwirkung von Metallen mit magnetischen Atomen zu beschreiben. Andere Arten von Wechselwirkungen führen jedoch zu sehr ähnlichen experimentellen Merkmalen, was Fragen über die Rolle des Kondo-Effekts auf einzelne magnetische Atome an der Oberfläche aufwirft.
Mit einer neuen experimentellen Methode zeigten die Physiker, dass auch ihr eindimensionaler Draht vom Kondo-Effekt betroffen ist: Die Elektronen im Draht bilden stehende Wellen, die man sich als ausgedehnte Atomorbitale vorstellen kann. Diese künstliche Umlaufbahn, ihre Kopplung an das Elektronenmeer und der resonante Wechsel zwischen der Umlaufbahn und dem Elektronenmeer können alle mit der Rastertunnelmikroskopie abgebildet werden. Bei dieser experimentellen Technik wird eine scharfe Metallnadel verwendet, um Elektronen mit atomarer Auflösung zu messen. Dies ermöglichte es dem Forschungsteam, den Kondo-Effekt mit beispielloser Präzision zu messen.
„Für magnetische Atome auf der Oberfläche ist es wie eine Geschichte: Eine Person, die noch nie einen Elefanten gesehen hat, versucht sich seine Form vorzustellen, indem sie ihn einmal in einem dunklen Raum berührt. Wenn man nur den Rüssel berührt, ist das Tier, das man sich vorstellt, völlig anders als die Seite, wenn man es berührt“, sagte Camiel van Efferen, ein Doktorand, der das Experiment durchführte. „Lange Zeit wurden nur Kondo-Resonanzen gemessen. Doch die bei diesen Messungen beobachteten Signale könnten andere Erklärungen haben, so wie der Rüssel des Elefanten auch der einer Schlange sein könnte.“
Die Forschungsgruppe am Institut für Experimentalphysik ist auf das Wachstum und die Erforschung zweidimensionaler Materialien (kristalline Festkörper, die nur aus wenigen Atomschichten bestehen) wie Graphen und einschichtiges Molybdändisulfid (MoS2) spezialisiert. Sie fanden heraus, dass sich an der Grenzfläche zweier MoS2-Kristalle, von denen einer ein Spiegelbild des anderen ist, Filamente aus Metallatomen bilden.
Mit einem Rastertunnelmikroskop konnten sie gleichzeitig den magnetischen Zustand und die Kondo-Resonanz bei der erstaunlich niedrigen Temperatur von -272,75 Grad Celsius (0,4 Kelvin) messen, der Temperatur, bei der der Kondo-Effekt auftritt.
Korrelation zwischen Theorie und experimentellen Daten
„Obwohl unsere Messungen keinen Zweifel daran lassen, dass wir den Kondo-Effekt beobachten, wissen wir noch nicht, wie unser unkonventioneller Ansatz im Vergleich zu theoretischen Vorhersagen abschneidet“, fügt Jolly hinzu. Zu diesem Zweck holte sich das Team die Hilfe zweier theoretischer Physiker: Professor Achim Rosch von der Universität zu Köln und Dr. Theo Costi vom Forschungszentrum Jülich, beide weltbekannte Experten der Kondo-Physik.
Die Analyse der experimentellen Daten im Jülicher Supercomputer ergab, dass die Kondo-Resonanz anhand der Form künstlicher Bahnen in Magnetfeldlinien genau vorhergesagt werden kann, und bestätigte damit die vor Jahrzehnten gemachte Vorhersage von Philip W. Anderson, einem der Begründer der Physik der kondensierten Materie.
Die Wissenschaftler planen nun, mit ihren Magnetfeldlinien noch exotischere Phänomene zu untersuchen. „Indem wir unsere eindimensionalen Drähte auf einem Supraleiter oder einer Quantenspinflüssigkeit platzieren, können wir Vielkörperzustände erzeugen, die durch andere Quasiteilchen als Elektronen erzeugt werden. Jetzt ist es möglich, die faszinierenden Zustände der Materie, die sich aus diesen Wechselwirkungen ergeben, klar zu erkennen, was es uns ermöglichen wird, sie auf einer völlig neuen Ebene zu verstehen“, erklärt Kamil van Efren.